Знание-сила, 2005 № 07 (937)

Радиобиология дальнего космоса начинается в Дубне

Странно переплетаясь, проходили рядом пути биологов и физиков в истории науки нашей страны. В период гонений на биологов и генетиков физики оказали им реальную, не только моральную, поддержку. И раньше, и сейчас интенсивно развивается междисциплинарное сотрудничество. Физики даже придумали шутку: биология становится слишком серьезной наукой, чтобы можно было доверять ее биологам. Сегодня же, когда биологические исследования, новые биотехнологии переживают расцвет во всем мире, такое сотрудничество может дать и физикам своеобразное «второе дыхание». 06 этом и о многом другом нам рассказал главный научный сотрудник Отделения радиационных и радиобиологических исследований (ОРРИ) Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне, заведующий лабораторией Института биохимической физики РАH академик РАН М. А. Островский.

— Михаил Аркадьевич как получилось, что вы, работая в Москве, стали нередко бывать и в подмосковной Дубне?

— Что называется, «так сошлись звезды». С одной стороны, была случайная встреча лет шесть-семь назад в двухместном купе «Красной стрелы». Поезд еще не тронулся, а мой попутчик уже начал расспрашивать, кто я, чем занимаюсь. Я представился ему и стал рассказывать о своих научных интересах — про механизмы и фотохимию процессов зрения, про то, что зрительная клетка сетчатки глаза — это естественный фотоумножитель, усиливающий ответ клетки на поглощение одного кванта света в миллион раз, и разные другие любопытные вещи.

Через некоторое время и он мне представился: академик Дмитрий Васильевич Ширков, физик-теоретик из Дубны. Физиология глаза ему была интересна, как, впрочем, она всегда интересовала физиков. Мы проговорили до двух часов ночи и даже договорились, что я приеду с лекцией в лабораторию теоретической физики ОИЯИ, что вскоре и случилось.

Совершенно независимо от первой встречи произошла вторая. Спустя два года я участвовал в симпозиуме по радиобиологии в Брукхейвене (США). В Шереметьево перед отлетом я познакомился с профессором Евгением Александровичем Красавиным из ОИЯИ, который также летел на этот симпозиум. После того как мы оба выступили с научными докладами. возникший еще в самолете взаимный интерес усилился. А рассказывал я тогда о влиянии дейтронов на зрительный пигмент родопсин и сетчатку глаза. Эта работа была выполнена нами совместно с физиками НИИ ядерной физики МГУ и Института медико-биологических проблем РАН.

На время работы симпозиума нас поселили в роскошной гостинице недалеко от Брукхейвена — это был знаменитый на всю Америку гольф-клуб. Мыс Евгением Александровичем вечерами, после заседаний, подолгу гуляли по огромному парку, и тогда-то он и сказал: «Михаил Аркадьевич! Уж если где искать тяжелые частицы, так это в ОИЯ И». Таким образом, именно Евгений Александрович Красавин предложил мне продолжить эти эксперименты в Дубне.

Спустя пару месяцев уже в Москве независимо от встреч с Д.В. (Цирковым и Е.А. Красавиным познакомился я и с директором ОИЯ И В. Г Кадышевским. Это случилось на банкете в Академии наук по случаю избрания новых членов Академии, действительным членом которой в тот раз стал и Владимир Георгиевич. Ему очень понравилась идея моей работы в Дубне, тем более что у руководства ОИЯ И мысль о развитии биологических исследований в Институте уже возникла. Познакомил же нас вице-президент РАН Николай Альфредович Плата, который сказал тогда: «Это замечательно, биологии нужна новая кровь!» — и, можно сказать, официально благословил наш союз со стороны Российской Академии наук.

— Тем не менее, можно сказать, что биологией в Дубне занимались практически всегда, а в 1977 году в ОИЯ И было открыто Отделение радиационных и радиобиологических исследований...

— Конечно, биология в Дубне началась не с Островского. Экспериментальная биология здесь началась давно, а с приходом Е. А. Красавина, блестящего специалиста по радиационному мутагенезу, стала активно развиваться. Можно смело сказать: биология в Дубне была с самого начала, поскольку задачи радиационной зашиты появились вместе с возникновением ОИЯИ.

Я хочу специально подчеркнуть, что сотрудничество физиков и биологов имеет давнюю историю. Еще в «сороковые, роковые», если вспомнить знаменитые строки Давида Самойлова, когда начались гонения на генетиков, менделистов-морганистов, «мощные» физики протянули руку помощи биологам, прикрыли их. Здесь можно вспомнить много замечательных имен. По инициативе И.В. Курчатова, А.П. Александрова и И.Е. Тамма в Институте атомной энергии был создан радиобиологический отдел, где предложили работать группе биохимической генетики Р.Б. Хесина. В те же годы великий Н.Н. Семенов пригласил в свой Институт химической физики замечательного генетика И.А. Рапопорта, создал лабораторию биофизики Л.А Блюменфельда.

Дубна не была исключением. В 1967 году именно в Дубне и благодаря помощи физиков ОИЯИ была проведена первая в СССР школа по молекулярной биологии. Решающая роль в ее организации, насколько я знаю, принадлежала академикам А.С. Спирину и Б.К. Вайнштейну, профессору О.Б. Птицыну. Я, тогда еще кандидат наук, был приглашенным лектором той первой школы. Помню, как, безумно волнуясь, я гулял вечером перед лекцией по набережной Волги. Эта дубненская лекция в моей научной биографии сыграла огромную роль. Традиция проведения этих школ продолжалась долгие годы. Их значение для развития современных биологических исследований в России трудно переоценить.

И сегодня Дубна остается привлекательной для умных и прогрессивных биологов, понимающих, как можно использовать ее потрясающие установки для решения конкретных биологических задач. Например, один из наших ведущих молекулярных биологов академик А.С. Спирин и его коллеги давно сотрудничают с профессором В.Л. Аксеновым и его сотрудниками. Используя уникальные возможности импульсного реактора ИБР-2 и комплекса измерительной аппаратуры, они получают замечательные результаты по структуре рибосом — внутриклеточных частиц, ответственных за синтез белков.

— Михаил Аркадьевич, наверное, пора подробнее представить вас читателям...

— По образованию я «чистый» биолог, более того — физиолог. Окончил кафедру физиологии биофака МГУ, которой заведовал Хачатур Сергеевич Коштоянц, биологам это имя говорит о многом. Я считаю себя учеником и последователем его научной школы. Это был прогрессивный ученый, эволюционист. Двухтомник Коштоянца по сравнительной физиологии — фундаментальный труд, изданный в пятидесятых годах, остается до сих пор настольной книгой для биологов.

В экспедиции на Баренцевом море я, студент второго курса, сделал свою первую научную работу по актиниям — беспозвоночным животным, которые, будучи хищниками, внешне очень похожи на цветы; их еще иногда называют «морские хризантемы». И я очень горжусь, что картинка из моей студенческой работы по актиниям вошла во второй том коштоянцевской книги. С этого, можно сказать, началась моя научная деятельность. Активно занимался Коштоянц и тем, что мы сейчас называем молекулярной физиологией. Он был увлечен изучением механизмов передачи нервных сигналов с одной нервной клетки на Другую, с нервной клетки на мышечную клетку, в том числе сердце.

В 1946 году (!), когда работы советских ученых вообще не публиковались за рубежом, Х.С. Коштоянц и его ученик Т.М. Турпаев опубликовали в «Nature» статью о существовании рецепторных белков. Работа эта была выполнена на изолированном сердце лягушки — классическом объекте физиологов (вспомните Базарова в «Отцах и детях» Тургенева). Несомненно, это была пионерская, можно сказать, эпохальная работа. Сейчас же это огромная область, «горячая точка» биологии; на современных знаниях о рецепторных белках основана большая часть нынешней фармакологии. Благодаря Коштоянцу я стал физиологом с молекулярным уклоном. Потом я попал в аспирантуру Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии АН СССР, в замечательную лабораторию профессора В. Г. Самсоновой — верной ученицы и последовательницы Л.А. Орбели. У нее я и защитил кандидатскую диссертацию.

Именно в те годы, у Самсоновой, я заинтересовался молекулярными механизмами зрения, стал заниматься светочу вствительн ым зрительным пигментом родопсином. Тогда у нас, да и в мире, это было совсем новое дело. И чем глубже я входил в проблему, тем больше ощущал необходимость в новых физических методах. И тогда — опять счастливая судьба! — В.Г. Самсонова представила меня нобелевскому лауреату академику Н.Н. Семенову и его ученику академику Н.М. Эмануэлю, они были друзьями и коллегами ее мужа, тоже выдающегося физика семеновской школы. Как раз в то время Семенов и Эмануэль создавали в Институте химфизики отдел кинетики химических и биологических процессов. И я со своими исследованиями родопсина хорошо вписывался в тематику нового отдела.

Почему? А потому, что первичный процесс зрения — это, по существу, цепная реакция, только внутри зрительной клетки. И еще потому, что изучение фотохимических и последующих темновых превращений в молекуле родопсина оказалось в полной мере в русле интересов химфизической науки в приложении к биологии. Для исследования же родопсина требовались сугубо физические методы, например, электронного парамагнитного резонанса, спиновых меток и зондов, методы фотохимии и оптической спектроскопии, мессбауэровской спектроскопии, рентгеновского анализа. В результате перехода в Химфизику у меня появилось довольно много совместных работ с физиками и физико-химиками, в том числе с Н.М. Эмануэлем, В. И. Гольданским, Л А Фейгиным из Института кристаллографии РАН. Мудрый Семенов знал, что делал, поддерживая и развивая исследования на стыке наук. Докторскую диссертацию я защищал, уже будучи в Институте химической физики.

В 2004 году меня удостоили Золотой медали Российской Академии наук имени И.М. Сеченова. Для физиолога это высшая академическая награда. Медаль, как сказано в Постановлении Президиума РАН, присуждена за цикл работ по механизмам фоторецепции, то есть первичных процессов зрения. И многие из этих работ просто бы не состоялись, если бы в них не принимали участие мои коллеги — высочайшего класса физики и химики.

— Совместные исследования физиков и биологов сегодня могут придать новый импульс фундаментальным и прикладным исследованиям как в физике, так и в биологии...

— Конечно, наука неисчерпаема, и насущных физических задач более чем достаточно — стоит, например, просмотреть планы работы ОИЯ И на ближайшие годы. Однако сегодня в кулуарах все чаще обсуждается проблема- нехватки глобальных, «сверхновых» задач! Наука о жизни для физиков — одна из них. Из биологических же проблем физиков всегда — еще со времен древних греков — интересовало зрение. Здесь, кроме самих греческих философов, можно назвать много имен великих физиков, включая Иоганна Кеплера, Томаса Юнга, Джеймса Максвелла, Германа Гельмгольца. Наши, отечественные физики не были исключением. Например, Ю.Б. Харитон, работавший в двадцатых годах в лаборатории Резерфорда, выполнил блестящее исследование по физиологии зрения и опубликовал по этому поводу, не помню точно, в 1928 или 1929 году, статью в Сообщениях Лондонского Королевского общества. Из его работы следовал вывод, что для возбуждения одной зрительной клетки в сетчатке глаза достаточно поглощения ею всего одного кванта света. Получалось, что зрительная клетка — это действительно живой, природный фотоумножитель. Независимо от Ю.Б. Харитона этой же проблемой занимался С.И. Вавилов, который в начале тридцатых опубликовал серию работ с тем же выводом: поглощения всего одного кванта света достаточно для физиологического возбуждения зрительной клетки сетчатки глаза. Глубоко интересовался физиологией зрения И.Е. Тамм и другие известные физики.

В чем, на мой взгляд, состоит проблема занятий биологией физиками? В том, чтобы физики со всей их мощной техникой и уникальным экспериментальным опытом занимались реальными биологическими задачами. Поэтому, как мне кажется, будет лучше, если эти задачи для физиков будут сформулированы биологами. Прекрасный пример такого рода сотрудничества есть в ОИЯИ. Академик А.С. Спирин — блестящий, абсолютно грамотный биолог, и поставленные им задачи имеют глубокий биологический смысл, они основаны на огромном фундаменте знаний. И когда эти конкретные задачи решаются в Дубне совместно с профессором В.Л. Аксеновым, корифеем нейтронной оптики, то результаты такой работы и получают мировое признание.

— Новые задачи, наверное, потребуют и новых специалистов, а ситуация с молодежью в российской науке сегодня не наилучшая?

— Совершенно очевидно, чтобы делать что-то новое в науке, нужно иметь конкретную задачу, приборы и, главное, специалистов — с кем делать, с кем двигаться дальше. С кем — это проблема подготовки кадров, которые. как известно, «решают все». Мне приятно и для меня это немаловажно, что Е.А. Красавин пригласил меня в качестве профессора на кафедру биофизики университета «Дубна», которую он создал и которой заведует. Я рад, что на этой кафедре удалось ввести еще одну, новую специальность — по фотобиологии. В деле подготовки молодых физиков для новой биологии я встретил полное понимание и получил абсолютную поддержку как со стороны ректора университета профессора Олега Леонидовича Кузнецова, так и со стороны директора О ИЯ И академика В.Г. Кадышевского и вицедиректора профессора А.Н. Сисакяна.

Важнейший шаг самого последнего времени — решение руководящих органов О ИЯ И о создании на базе Отделения радиационных и радиобиологических исследований новой Лаборатории радиационной биологии. Да и сегодня Отделение развивается, идет в ногу со временем. Наш сектор «Фото- и радиобиология зрения» возник в Отделении по инициативе Е.А. Красавина. Спрашивается, почему зрение? Ответ простой. И фото-, и радиобиология — это изучение действия излучения — оптического или радиационного — на биологические объекты, в данном случае на структуры глаза. Видимый свет для глаза — физиологический стимул, носитель зрительной информации. Радиация для организма, в том числе космические лучи — это опасный повреждающий фактор, способный легко привести к потере зрения.

Практически одновременно с нашим сектором в Отделении возник сектор «Компьютерного молекулярного моделирования» во главе с талантливым ученым, доктором физико-математических наук Х.Т Холмуродовым. Много лет он проработал в одном из лучших научно-исследовательских центров Японии и вот теперь вернулся в Дубну, да еще привез с собой мощнейшее компьютерное оборудование — фактически это подарок его японских коллег. Вокруг Холмуродова собралась небольшая группа молодых энтузиастов компьютерного дела.

Естественно, у нас началось интереснейшее и плодотворное сотрудничество, предмет которого — компьютерное молекулярное моделирование зрительного пигмента родопсина, светочувствительного мембранного белка. Появление Х.Т. Холмуродова в Дубне оказалось для нас более чем своевременным. Дело в том, что сравнительно недавно методами рентгеноструктурного анализа и ядерного магнитного резонанса была экспериментально определена третичная, то есть объемная, трехмерная структура родопсина. Он стал первым и пока единственным мембранным белком, для которого такая структура была определена. Теперь с помощью мощных вычислительных машин можно визуализировать родопсин в пространстве, можно теоретически и вместе с тем совершенно достоверно, как бы в физиологических условиях исследовать эту молекулу; например, изучать, как родопсин «дышит».

Иными словами, можно воочию увидеть, какова пространственная форма молекулы, можно исследовать, как эта форма меняется или как меняется взаиморасположение отдельных фрагментов молекулы в темновом состоянии, а в ближайшем будущем, как мы надеемся, можно будет посмотреть, как меняется расположение фрагментов после поглощения родопсином кванта света.

Взгляните на рисунки, на которых представлены первые (ранее еще не публиковавшиеся) результаты такого компьютерного молекулярного моделирования родопсина. Эти рисунки любезно предоставлены для журнала «Знание — сила» Х.Т. Холмуродовым. На первом из них дана модель расположения внутри большой белковой части молекулы ее маленькой хромофорной группы, которая обозначена красным цветом. Хромофорная группа родопсина — это альдегид витамина А, или ретиналь, который прочно «прикреплен» к белковой части молекулы ковалентной химической связью. Причем ретиналь в молекуле родопсина находится в совершенно определенной пространственной конфигурации, а именно в одной из его шестнадцати теоретически возможных изомерных форм. Именно эта, единственная, подходящая, как ключ к замку, изомерная конфигурация ретиналя и изображена на модели.

Компьютерные модели молекулы родопсина (вверху) и хромофорной группы молекулы родопсина (внизу). Зеленым цветом показана ее конфигурация в начальный момент взаимодействия с белком, красным цветом - через 3 наносекунды

На втором рисунке изображена модель одной только хромофорной группы и проиллюстрирован механизм быстрого изменения ее формы после взаимодействия с белком. Хорошо видно, и это четко показано в цвете, как именно и как быстро — всего за 3 наносекунды (1 наносекунда = 10^-9 секунды) — белковое окружение меняет форму ретиналя. В результате такой конфигурационной перестройки ретиналь, как ключ, лучше, удобнее «встраивается» в замок, как бы «притирается», «приспосабливается» к белковому окружению. По-видимому, для более эффективного выполнения физиологической функции зрительного пигмента родопсина такая «притирка» имеет определенное значение.

— Говоря о кадрах, вы упомянули новую радиобиологию. Что вы имели ввиду?

— Видите ли, независимо ни от чьих желаний, волею судьбы, волею развития космической науки и техники сегодня рождается потребность в новой радиобиологии. О чем идет речь? Классическая радиобиология началась с открытия Конрада Рентгена. Когда открыли рентгеновские лучи, то выяснилось, что они вызывают для всего живого на Земле массу неблагоприятных последствий. С появлением атомного оружия исследование механизмов поражающего действия радиации стало более чем актуальным. Этот «земной» этап и представляет собой классическую радиобиологию. Не забудем еще, что радиация — это еще и изощренный инструмент биологических исследований. Вспомним Н.В. Тимофеева-Ресовского и его работы по радиационному мутагенезу. Полет Гагарина, систематический выход человека в ближний космос еще не потребовали новой радиобиологии, поскольку на околоземных орбитах обшивка космического корабля достаточно (не полностью, а именно достаточно) надежно защищает человека, животные и растительные организмы от космической радиации.

Но жизнь диктует новые задачи. Как когда-то Архимеду пришлось воплотить в жизнь свои изобретения, чтобы защитить от врагов родные Сиракузы, так и сейчас в связи с намерением человечества выйти в дальний космос приходится задумываться о новой радиобиологии. Я имею в виду амбициозную программу пилотируемых полетов на Марс. Долететь до Марса технически — уже не проблема. Но в дальнем космосе обшивка корабля уже не способна защитить живое существо, человека или мышку от космических лучей — заряженных частиц углерода, железа и ряда других, чрезвычайно опасных частиц. Физикам их список хорошо известен. А раз так, то возникает вопрос: каковы механизмы этого повреждения, сколько таких частиц может набрать организм, чтобы не поплатиться жизнью? Как минимум надо установить безопасные дозы облучения космическими частицами, иначе живое существо погибнет или сразу после полета, или через год-два от лучевой болезни. Как выяснилось, помимо лучевой болезни, потеря зрения — еще один лимитирующий фактор дальних и длительных космических полетов. Дело в том, что структуры глаза весьма чувствительны к повреждающему действию тяжелых частиц. Опасность развития катаракты или, что еще хуже, повреждения сетчатки глаза более чем высока.

Таким образом, рождается новый виток радиобиологических исследований, а именно радиобиология тяжелых частиц. И где, как не в Дубне, обладающей целым спектром уникальных источников излучения тяжелых частиц, заниматься этой проблемой? В мире можно по пальцам пересчитать центры, где есть ускорители, генерирующие на Земле космические частицы, и ОИЯИ — один из них.

— И вы уже используете ускорительную базу Объединенного института для решения этих задач?

— Да, мы начали такие исследования: облучаем на нуклотроне ОИЯИ белки хрусталика глаза — кристаллины и светочувствительный белок зрительных клеток сетчатки — зрительный пигмент родопсин. Получены первые небезынтересные результаты. Если коротко, то суть их сводится к следующему. Облучение родопсина заряженными частицами, например бора, приводит к заметным изменениям его физико-химических и функциональных свойств.

Что касается кристаллинов, то результаты здесь получились еще более интересные. Ранее мы подробно исследовали, как при действии ультрафиолетового света агрегируют, то есть образуют нерастворимые комплексы, кристаллины, в частности, один из них — бета-кристаллин. Ведь агрегация кристаллинов — это и есть основная причина помутнения хрусталика, то есть катаракты. Оказалось, что генетически дефектный бета-кристаллин агрегирует при ультрафиолетовом облучении гораздо легче, чем нормальный. Иными словами, нормальный кристаллин гораздо устойчивее к фотоагрегации, нежели генетически дефектный. Следует отметить, что такого рода дефекты бета-кристаллина наблюдаются и в жизни, то есть in vivo в случаях наследственной предрасположенности людей к возникновению катаракты. Как показали результаты наших первых опытов с заряженными частицами, они — эти частицы — способны вызвать скрытые повреждения в молекуле бета-кристаллина. И вот эти скрытые дефекты, вызванные заряженными частицами, нам удалось выявить с помошью их последующего облучения ультрафиолетом.

Получается, что в облученном заряженными частицами бета-кристаллине, вероятно, накапливаются молекулярные дефекты, подобные тем, которые имеются в генетически дефектном бета-кристаллине. Это интересное наблюдение, позволяющее нам, с определенной долей вероятности, объяснить, почему у космонавтов, долго летавших в космосе и потом вернувшихся на Землю, с годами достоверно чаще развивается катаракта, чем у людей, не покидавших Землю. А что это действительно так, четко свидетельствуют две недавно опубликованные научные работы, выполненные практически одновременно и независимо друг от друга американскими и немецкими офтальмологами.

Таким образом, становится очевидным, что стратегия комплексного фото- и радиобиологического подхода к исследованию механизмов радиационного повреждения структуры глаза представляется правильной и перспективной.

— ...и в духе времени!

— Да, ведь создание более полувека назад первого ускорителя ОИЯИ — синхроциклотрона, первых лабораторий было продиктовано задачами того времени. Сегодня, на новом витке спирали познания, в Объединенном институте создается лаборатория радиационной биологии. Своевременность этого шага осознали и, что самое главное, сделали его директор ОИЯИ, академик В.Г. Кадышевский и вице-директор, профессор А.Н. Сисакян, причем при полной и единодушной поддержке Ученого совета. Честь им всем за это и хвала! Активно поддержал решение о создании новой лаборатории академик-секретарь Отделения биологических наук РАН, академик А.И. Григорьев. Именно он отвечает в стране за космическую биологию, и именно у него спрашивают: «Лететь — не лететь?» Ибо если действительно лететь на Марс, то тогда жизненно необходимо вкладывать деньги не только в ракету, системы навигации и тому подобное, но и в биологию. Совершенно очевидно, что даже самый амбициозный проект типа полета на Марс не может стать источником смертельного риска для здоровья космонавта: вернувшись на Землю, человек не должен заболеть раком или ослепнуть. Это не тот случай, когда «мы за ценой не постоим». Гамлетовский вопрос «быть или не быть?», «лететь или не лететь?» должен решаться совместно биологами и физиками, в том числе здесь, в Дубне. Если уж лететь, то будьте любезны, господа политики, поддержать это дело по настоящему, как вы в свое время поддержали программу создания атомного оружия, развития атомной энергетики, первого полета в космос и других глобальных проектов.

Беседу вела Ольга Тарантино.

Александр Савинов